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1、现代仪器二○○四年·第三期近红外成分含量分析仪的研制13121常 敏 张学典 李朝阳 徐可欣(11天津大学精密仪器与光电子工程学院 天津 300072)(21天津大学无线电厂 天津 300072)摘 要 基于近红外检测技术,研制了近红外成分含量分析仪。该仪器的工作波段在1100～1700nm,可以对样品进行定性和定量分析,检测过程快速、高效、环保,它不仅可以应用于实验室分析,而且适用于现场快速检测和实时在线分析,本文对仪器的结构、组成及性能进行阐述,并给出仪器稳定性和测量精度的实验验证结果。关键词 近红外光谱 双光路 数据采集 成分含量 随着光谱技术的发展,人们已经不再只满足于法对
2、所得样品光谱进行分析处理,实现测量。系统对样品的定性认识,信息的定量化变得越来越重要。结构示意图(见图1)。特别是在食品卫生、环境监测、生物、医学、农业等部门,准确方便的获取样品组成的定量结果已经成为光谱仪器发展的方向。数字化光谱仪器与化学计量学理论相结合形成的近红外光谱分析技术作为“绿色检测技术”的代表,具有显著提高分析效率、降低人工和生产成本的潜能,近年来在分析测试领域,特别是在在线分析和工业控制领域发挥着越来越重要1的作用。目前市场上的近红外光谱仪器多为国外产品,价格昂贵而且维护费用高,因此急需一种快图1 近红外成分含量分析仪系统结构示意图捷、高效、廉价的分析仪器,为此自行研制
3、一台近红111 硬件系统设计外成分含量分析仪。本文对仪器的研制作介绍,同11111分光系统设计 分光系统是近红外光谱仪时给出仪器的性能指标,并通过蒸馏水和牛奶测量器的核心。声光可调谐滤光器(AOTF)具有结构简实验进行验证。单、无可移动部件、体积小、集光能力强,波长调谐过程快速、多模式等非常独特的优点,而且根据需要还1 仪器的测定原理和系统设计可以方便地与计算机接口,通过程序控制选取波长仪器的设计基于红外光谱定量分析技术,即通输出并进行数据处理2。基于这些优点,采用AOTF过化学计量学理论对样品光谱和成分浓度进行关为分光部件。在设计系统时,从性价比的角度进行联,建立校正模型,然后通过
4、校正模型和未知浓度样考虑,选用以Te02为声光功能晶体材料的国产普通1品的光谱信息来预测样品的组成。仪器主要由光型AOTF。通过标定,确定它的驱动频率与输出波长学系统、电学信号处理模块、数据采集和驱动控制模的关系,控制写入AOTF的驱动器的输出频率使块以及化学计量软件四大部分组成。采用双光路相AOTF的输出波长工作在111～117μm的近红外波对测量方法,以消除光强随时间变化的影响。光源段,光谱的分辨率为011μm。发出的光经过AOTF分光后进入光纤,一路作为参11112光路设计 在仪器的使用过程中,系统状态考光;另一路作为测量光,与样品作用后携带被测信的变化是难免的,如光源的稳定性
5、,系统的时间漂移息。含信息的测量光与参考光分别由两个光电检测以及热噪声等,这些干扰以系统误差的形式反映在器转换为相应的模拟电信号,再由数据采集卡将其测量结果中。为削弱这些影响,采用双光路测量系数字化后输入计算机。整个过程由计算机控制,由统。经AOTF出来的光由分光棱镜分成两路:一路它驱动AOTF进行光谱扫描,最后通过化学计算方通过被测样品,称为测量路,用M表示;另一路通过3作者简介:常敏(1978—),女,硕士研究生,目前主要从事牛奶成分的红外光学法测量的研究。40二○○四年·第三期研制与开发稳定物质,称为参比路(在现行的系统中,以水为参(采样率、采集点数及循环次数)进行初始化,在执
6、行比路样品),用R表示。这样我们就同时得到了被采集程序过程中,可以创建存储数据文件,为方便数测样品和稳定物质的光谱,通过软件处理来直接得据后期处理,文件格式为Excel电子表格格式(3.到测量路与参考路的比值(ratio)。实验结果表明,xls)。待这些准备工作完成之后,系统开始进入数采用双光路在一定程度上减小了系统噪声的影响,据循环采集过程,采集到的原始数据、经快速傅立叶4提高仪器的精度。同时,为了减小环境变化对系统变换(FFT)得到的能量谱数据以及测量路和参考的影响,我们将光源密封在仪器内部,光源发出的光路之间的比值数据都实时地进行显示。预设的采集在到达AOTF之前经过的空气也是
7、密封好的,整个循环次数结束后,经快速傅立叶变换得到的测量路、光路设计成缩短的直线系统,长度不超过30cm。参考路及二者的比值数据将存入原始Excel表格文11113数据采集系统 数据采集系统(见图2),件中。112 软件系统设计整套测试系统的数据采集及控制软件由Labiew编制完成,软件的工作流程就是前面描述过的数据采集的实现流程,系统的软件界面(见图4)。图2 数据采集系统数据采集选用美国NationalInstruments(NI)公司的3NI2602
